Sistema de gestión de combustión.

Un sistema (9d) de gestión de combustión para un motor de pistón libre que tiene por lo menos un cilindro (1)con unos medios de admisión (6c) que comprenden una válvula deslizante de lumbrera y una válvula de admisióndispuestas en serie y que se proporcionan a una distancia de los extremos del cilindro,

y una válvula de escape (7b)que se proporciona en cada uno de los extremos del cilindro, que comprende además un pluralidad de bobinas (9a) y elementos de estator (9c) colocados a lo largo del cilindro, en donde el movimiento del pistón (2) dentro del cilindroinduce un flujo magnético en las bobinas,

el sistema de gestión de combustión se caracteriza por

unos medios de control de válvula para controlar la válvula de admisión (6c) y la válvula de escape (7b)independientemente de la posición del pistón (2) que se mueve dentro del cilindro (1) para controlar la relación de compresión y de expansión, en donde el pistón se mueve sobre y más allá de los medios de admisión en cadacarrera,

unos medios (9d) de control de relación de compresión que controlan la corriente que fluye en las bobinas (9a) paralimitar el alcance de movimiento del pistón (2) mediante la modulación de la fuerza magnética aplicada al pistón.

Sistema de gestión de combustión La presente invención está relacionada con un sistema de gestión de combustión de un motor de combustión interna. Más específicamente, la presente invención está relacionada con un sistema de gestión de combustión para un motor de combustión que tiene por lo menos un cilindro con unos medios de admisión que comprenden una válvula deslizante de lumbrera y una electroválvula de vástago (poppet) dispuestas en serie y que se proporcionan a una distancia de los extremos del cilindro, y una electroválvula de vástago de escape que se proporciona en cada uno de los extremos del cilindro.

Se sabe cómo utilizar motores de combustión interna para generar energía eléctrica. Por otra parte, existen diversos sistemas para generar energía eléctrica que utilizan un generador lineal acoplado a un motor de pistón libre, en donde el movimiento lineal de los pistones en vaivén a través de una o más bobinas eléctricas genera un flujo magnético, por ejemplo el documento US-A-7318506.

Sin embargo, la eficiencia de este tipo de sistema de generación eléctrica es sumamente dependiente de la eficiencia del motor de pistón libre que lo impulsa y, por lo tanto, es sumamente deseable un motor de pistón libre que tenga una buena eficiencia.

Anteriormente, los motores de pistón estaban provistos con medios de admisión y válvula de escape en cada cámara de combustión cerca de los extremos del cilindro, por ejemplo el documento US-A-6199519. Como resultado de que los medios de admisión se encuentran cerca de la válvula de escape en las cámaras de combustión del motor, el barrido (scavenging) en la cámara de combustión se logra por lo general mediante ciclos de barrido. Esto se traduce en un barrido incompleto, y además parte de la mezcla de carga de admisión puede ser arrastrada con los gases de escape, lo que ofrece unas pobres prestaciones en las emisiones de hidrocarburos.

Anteriormente, las realizaciones de motores de dos tiempos utilizadas en aplicaciones de vehículos pequeños obtenían una relación de compresión aproximadamente igual a la relación de expansión con el fin de lograr la mayor carga de admisión y potencia de salida por unidad de masa del motor. Una consecuencia de esta disposición es que la carrera de expansión se termina con la apertura de la válvula de escape antes de que los gases se hayan expandido totalmente y cuando sigue habiendo una gran diferencia de presión entre la cámara de combustión en expansión y el colector de escape. Esto tiene como resultado pérdidas de eficiencia del motor y también genera importantes emisiones de ruido.

En un ejemplo de un motor con el que se puede utilizar la presente invención, la relación de expansión es aproximadamente dos veces la relación de compresión. En las relaciones de compresión de 10:1 y 16:1 esto ofrece una mejora en la eficiencia del 10 - 20 %. La pérdida específica de potencia que normalmente acompaña a este tipo de ciclo de expansión se mitiga con el uso de un diámetro interior agrandado del cilindro. La parte del diámetro interior del cilindro que se requiere para continuar la expansión sobre el pistón en una cámara también sirve como la parte del cilindro requerida para la expansión inicial de la cámara opuesta. De esta manera, se obtiene un ciclo de sobre-expansión con muy poca masa adicional y sin sacrificar el volumen de carga de admisión.

El documento KR 2009 0040616 describe un sistema de gestión de combustión para un motor de pistón libre que tiene por lo menos un cilindro con unos medios de admisión que comprenden una válvula deslizante de lumbrera y una válvula de admisión dispuestas en serie y que se proporcionan a una distancia de los extremos del cilindro, y una válvula de escape que se proporciona en cada uno de los extremos del cilindro, que comprende además un pluralidad de bobinas y elementos de estator colocados a lo largo del cilindro, en donde el movimiento del pistón dentro del cilindro induce un flujo magnético en las bobinas.

Según la presente invención, un sistema de ese tipo se caracteriza por unos medios de control de válvula para controlar la válvula de admisión y la válvula de escape independientemente de la posición del pistón que se mueve dentro del cilindro para controlar las relaciones de compresión y de expansión, en donde el pistón se mueve sobre y más allá de los medios de admisión en cada carrera, unos medios de control de relación de compresión que controlan la corriente que fluye en las bobinas para limitar el alcance de movimiento del pistón mediante modulación de la fuerza magnética aplicada al pistón.

Al controlar el momento de apertura de las válvulas de admisión y el momento de cierre de las válvulas de escape, se pueden controlar las relaciones de compresión y de expansión para optimizar la eficiencia del motor.

Preferiblemente, cuando el miembro de pistón está en la extremidad de su movimiento dentro del cilindro, la holgura entre el extremo del pistón y la culata que se proporciona en el extremo del cilindro es más de la mitad del diámetro del pistón para proporcionar una forma de cámara de combustión con una baja relación de área superficial a volumen en el punto muerto superior, lo que tiene como resultado una reducción de la pérdida de calor en el punto muerto superior que ofrece un ciclo aproximadamente adiabático con mínimo rechazo de calor de escape.

Además, el tamaño de la cámara de combustión actúa eficazmente como un resorte de aire para absorber las variaciones de energía del pistón que se aproxima sin dañar el motor. Estas variaciones pueden surgir debido a la variabilidad de la combustión en la cámara de combustión opuesta, y otras fuentes de variabilidad. La consecuencia de estas variaciones es una mayor o menor relación de compresión que la prevista por los medios de control de la relación de compresión.

Preferiblemente, los medios de control de válvula se configuran para controlar la apertura de la válvula de admisión y de la válvula de escape independientemente para permitir un control de la recirculación de gases de escape (EGR, exhaust gas recirculation) , la carga de admisión y la relación de compresión.

Preferiblemente, la válvula de admisión es una electroválvula de vástago que se controla independientemente para abrirse al final de la carrera de expansión durante un período de tiempo definido mientras que la válvula deslizante de lumbrera permanece abierta para admitir la cantidad deseada de carga de admisión para el próximo evento de combustión. Al controlar la carga de admisión de esta manera se evita la necesidad de un estrangulador independiente y de ese modo aumenta la eficiencia del motor al reducir las pérdidas por estrangulación.

Preferiblemente, el sistema también comprende unos medios de control de inyección de combustible configurados para inyectar combustible en una cámara de combustión inmediatamente antes de que se cierre la válvula deslizante de lumbrera para reducir las emisiones de hidrocarburos (HC) durante el barrido.

Preferiblemente, se proporciona un sensor de combustible para determinar el tipo de combustible que se va a utilizar en el motor.

Preferiblemente se proporciona un sensor de flujo de aire y un sensor de gases de escape para determinar la cantidad de combustible a inyectar en cada cámara, según la cantidad de aire añadido y el tipo de combustible utilizado.

Preferiblemente, se proporcionan unos medios de control de momento de ignición por chispa para ajustar la distribución de la ignición por chispa de modo que se reduce el impacto adverso de la variabilidad de relación de compresión en las emisiones del motor y la eficiencia.

Como el sistema también comprende una pluralidad de bobinas y elementos de estator colocados a lo largo del cilindro, en donde el movimiento del pistón dentro del cilindro al pasar las bobinas induce un flujo magnético en las bobinas. Cuando el pistón se mueve dentro del cilindro, el pistón interacciona con un flujo magnético conmutado dentro de los elementos de estator para generar energía eléctrica que se puede utilizar para trabajo útil o se puede almacenar para su uso posterior.

Preferiblemente, los medios de control de relación de compresión incluyen un sensor de golpeteo, en donde los medios de control de relación de compresión pueden ajustar la relación de compresión mediante el uso de las lecturas que salen del sensor de golpeteo para controlar la recuperación de energía cinética del pistón mediante las bobinas. Por tanto, el sensor de golpeteo puede proporcionar lecturas de salida de detonación de combustión y de auto-ignición para los medios de control de relación... [Seguir leyendo]

1. Un sistema (9d) de gestión de combustión para un motor de pistón libre que tiene por lo menos un cilindro (1) con unos medios de admisión (6c) que comprenden una válvula deslizante de lumbrera y una válvula de admisión dispuestas en serie y que se proporcionan a una distancia de los extremos del cilindro, y una válvula de escape (7b) que se proporciona en cada uno de los extremos del cilindro, que comprende además un pluralidad de bobinas (9a) y elementos de estator (9c) colocados a lo largo del cilindro, en donde el movimiento del pistón (2) dentro del cilindro induce un flujo magnético en las bobinas,

el sistema de gestión de combustión se caracteriza por

unos medios de control de válvula para controlar la válvula de admisión (6c) y la válvula de escape (7b) independientemente de la posición del pistón (2) que se mueve dentro del cilindro (1) para controlar la relación de compresión y de expansión, en donde el pistón se mueve sobre y más allá de los medios de admisión en cada carrera,

unos medios (9d) de control de relación de compresión que controlan la corriente que fluye en las bobinas (9a) para limitar el alcance de movimiento del pistón (2) mediante la modulación de la fuerza magnética aplicada al pistón.

2. El sistema (9d) de la reivindicación 1, configurado de tal manera que cuando el pistón (2) se encuentra en la extremidad de su movimiento dentro del cilindro (1) , la distancia entre la parte superior del pistón y el extremo de la cámara de combustión es más de la mitad del diámetro del pistón.

3. El sistema (9d) de la reivindicación 1 o 2, en donde los medios de control de válvula están configurados para controlar independientemente la apertura de la válvula de admisión (6c) y de las válvulas de escape (7b) .

4. El sistema (9d) de cualquier reivindicación precedente, en donde la válvula de admisión (6c) se controla independientemente para abrir un sub-período dentro de un período para el que la válvula deslizante de lumbrera se abre como resultado de la posición del pistón.

5. El sistema (9d) de cualquier reivindicación precedente, que comprende además unos medios (5) de inyección de combustible configurados para inyectar combustible en una cámara de combustión (34) , inmediatamente antes de que se cierre la válvula deslizante de lumbrera.

6. El sistema (9d) de cualquier reivindicación precedente, que comprende además un sensor de combustible para determinar el tipo de combustible que se utilizará en el motor.

7. El sistema (9d) de cualquier reivindicación precedente, que comprende además un sensor de flujo de aire y un sensor de gases de escape para determinar la cantidad de combustible a inyectar en cada cámara (3, 4) según la cantidad de aire y el tipo de combustible utilizado.

8. El sistema (9d) de cualquier reivindicación precedente, que comprende además unos medios de control de momento de ignición por chispa para ajustar el momento de la ignición por chispa.

9. El sistema (9d) de la reivindicación 8, en donde el sistema determina un momento óptimo de ignición una vez que se ha determinado la relación de compresión esperada durante la carrera de compresión, y los medios de control de momento de ignición por chispa ajustan el momento del evento de chispa según este momento óptimo de ignición.

10. El sistema (9d) de cualquier reivindicación precedente, en donde los medios (9a) de control de relación de compresión incluyen un sensor de golpeteo, en donde los medios de control de relación de compresión pueden ajustar la relación de compresión mediante el uso de las lecturas que salen del sensor de golpeteo para controlar la recuperación de energía cinética del pistón (2) mediante las bobinas.

11. El sistema (9d) de cualquier reivindicación precedente, en donde la posición del pistón (2) dentro del cilindro

(1) se puede determinar a partir de la salida eléctrica de las bobinas (9a) .

12. El sistema (9d) de cualquier reivindicación precedente, en donde los medios (9d) de control de relación de compresión pueden controlar las bobinas (9a) para limitar el alcance de movimiento del pistón (2) por la modulación de la fuerza magnética aplicada al pistón.

13. El sistema (9d) de cualquier reivindicación precedente, que comprende además unos medios de control de temperatura y una pluralidad de sensores de temperatura en las proximidades de las bobinas (9a) , dispositivos electrónicos y otros elementos sensibles a las altas temperaturas para proporcionar lecturas de temperatura para los medios de control de temperatura.

14. El sistema (9d) de la reivindicación 13, en donde los medios de control de temperatura están configurados para aumentar el flujo de aire de refrigeración en los medios de refrigeración en respuesta a un aumento de las temperaturas.

15. El sistema (9d) de cualquier reivindicación precedente, en donde los medios de control de la temperatura también proporcionan un aporte a los medios de control de válvula, de modo que la potencia de salida del motor se reduce cuando se detectan lecturas mantenidas de temperatura elevada para evitar daños en el motor.

umbera deslizante hacia la cámara 1 Medios de admisión Estado de medios de escape Desplazamiento (mm)

CERRADO ABIERTO

CERRADO ABIERTO

CERRADO ABIERTO

(A) Punto muerto (C) Punto muerto (D) Inicio de (E) Inicio de superior, inicio inferior, final de la barrido por barrido por

de la combustión expansión, inicio de desplazamien desplazamien la compensación de to de carga to del pistón admisión de admisión (B) Fin de la combustión

Tiempo FIG 9

CERRADO

CERRADO

CERRADO

(F) Inicio de la compresión Frontera teórica de mezcla quemada / sin quemar (A) Punto muerto superior, inicio de la combustión Parte superior de la cámara 1

Parte superior del pistón = parte inferior de la cámara 1

Generador lineal 1

Parte inferior del pistón = parte superior de la cámara 2

Abertura del cilindro (válvula deslizante de lumbrera de admisión)

Generador lineal 2

Parte inferior de la cámara 2

Determinación de la relación de compresión y respuesta a la relación de compresión

Respuesta

Salida de potencia necesaria del motor (carga) Velocidad del motor Duración del período de apertura de la válvula de admisión Admisión de aire a la cámara 3 y 4 (señal de control)

Establecer la fuerza de modo que la recuperación de energía cinética del pistón = potencia de salida = energía de combustión en la cámara 4

Tipo de combustible Señal de golpeteo en un ciclo anterior Objetivo de relación de compresión en un ciclo anterior Objetivo de relación de compresión de este ciclo (señal de control)

Admisión de aire a la cámara 3 %EGR deseado Objetivo de punto de cierre de la válvula de escape (señal de control)

Energía cinética del pistón (calculada a partir de la salida de las bobinas) Objetivo de punto de cierre de la válvula de escape Error de energía cinética calculado sobre la base de la EC teórica versus la EC real para lograr el objetivo de velocidad y relación de compresión (señal de control)

Ajustar fuerza de modo que el cambio de recuperación de energía cinética del pistón sea igual y anule la señal de error de energía cinética

Energía cinética del pistón (calculada a partir de la salida de las bobinas) Posición del pistón Aire, combustible y gas de escape en la cámara de combustión Momento de cierre de gases de escape Relación de compresión esperada (señal de control)

Momento optimizado para la relación de compresión esperada

FIG. 9a Secuencia de eventos en la cámara 1

Clave Demanda de potencia por parte del usuario Velocidad del motor

Cantidad de aire en la cámara

Tipo de combustible Relación de compresión del ciclo anterior

Estado de golpeteo del ciclo anterior

Posición del pistón Energía cinética del pistón

Error de energía cinética

Relación de compresión esperada Entrada o salida Medios de control de válvula Medios de control de válvula Medios de control de relación de compresión Medios de control de relación de compresión Medios de control de relación de compresión Medios de control de relación de compresión Medios de control de relación de compresión Medios de control de relación de compresión Medios de control de ignición por chispa FIG 9b

Duración del período de apertura de válvula de admisión %EGR necesario Objetivo de fuerza en el pistón Objetivo de relación de compresión Momento de cierre de la válvula de escape Objetivo de energía cinética del pistón Ajustes de la fuerza sobre el pistón Momento óptimo de ignición Proceso 26